Kostengünstiges LIDAR : Machbarkeitsstudie eines einfachen und erschwinglichen 3D Laserscanners

Abstract

Autonome Agenten, ob in der Luft oder am Boden, benötigen präzise Informationen über ihre Umgebung um sicher navigieren zu können. Laserscanner, auch als LIDAR (engl., LIght Detection And Ranging) bezeichnet, sind besonders geeignet um akkurate virtuelle Modelle der Umgebung zu erstellen und sind relativ unempfindlich gegenüber variierenden Umwelteinflüssen. Allerdings sind kommerziell erhältliche Laserscanner sehr teuer, was ihre Verbreitung einschränkt. Diese Arbeit schlägt ein Design für ein kostengünstiges LIDAR-System vor, bestehend aus einem optischen Aufbau, einem elektronischen System, einem Regler und Software zur Nachbearbeitung der Messungen. Das angestrebte Ziel ist die Konstruktion eines Laserscanner, der für das Erfassen der Umgebung und die Identifikation von Hindernissen auf unbemannten Luftfahrzeugen, häufig als Drohnen bezeichnet, geeignet ist. Während des gesamten Prozesses wird darauf geachtet, die Komplexität gering zu halten und ausschließlich leicht erhältliche Komponenten zu verwenden.Um die Gültigkeit des vorgeschlagenen Designs zu bewerten, wird ein Prototyp gebaut. Eine umfangreiche Evaluierung quantifiziert die Performance des Laserscanner in Bezug auf Reichweite, Genauigkeit, räumliche Auflösung und Scan-Rate. Der Prototyp ist in der Lage, grobe Scans der Umgebung zu produzieren, allerdings mit einer gewissen Verzerrung und einer langsameren Geschwindigkeit als kommerzielle Geräte. Auch wenn der Scanner derzeit noch nicht für den Einsatz zur Erkennung von Hindernissen auf unbemannte Luftfahrzeugen bereit ist, demonstrieren die Resultate die konzeptionelle Gültigkeit des Designs.

Autonomous agents, whether in the air or on the ground, require precise information about their surroundings for safe navigation. Laser scanners, also referred to as LIDAR (LIght Detection And Ranging), perform particularly well in building accurate virtual models of the surroundings and are relatively insensitive to varying environmental conditions. However, commercially available laser scanners are very expensive, which inhibits their widespread use. This work proposes a design for a low-cost LIDAR system, comprising an optical setup, an electronics system, a controller, and required software for processing the measurements. The ultimate goal is to construct a laser scanner which is suitable for environment scanning and obstacle identification on Unmanned Aerial Vehicles (UAV), commonly referred to as drones. Throughout the process care is taken to keep the complexity low and to rely only on readily available components. In order to assert the validity of the proposed design a prototype is built. An extensive evaluation quantifies the performance of the laser scanner in terms of range, precision, spatial resolution, and scan rate. The prototype is able to produce rough scans, albeit with some distortion and at a slower rate than commercial devices. Although the scanner is not yet ready to be used for obstacle detection on UAV, the results demonstrate the conceptual validity of the design.